1. 背景

爱否出品的新风消费报告^[1]里提到了一个概念：室内空气的四个终极目标是恒温、恒湿、恒净、恒氧。笔者对此深感认同，可惜笔者生活的北京并没有足够宜人的气候^[2]：

空气质量指数^[3]也堪忧：

更糟糕的是，为了保证室内空气含氧量，笔者的窗户常年是半开的。这就导致室内空气很容易受室外影响，不仅容易积灰，而且往往要等空气质量显著糟糕时笔者才会想到要关窗。

为了能更好地评估室内空气质量，并指导改进的方向，笔者决定搭建一套监控室内空气质量的解决方案。需要监控的指标包括：温度/湿度/二氧化碳/PM2.5。

2. 硬件部分

首先是物美价廉的米家蓝牙温湿度计2，只要29即可实现温湿度测量，并可在APP端查看历史数据。然而实际体验并不好，打开APP后很难直接加载成功数据（笔者甚至要重启蓝牙才行），查看历史数据功能也不能自定义时间范围。不清楚使用蓝牙网关后体验能否得到提升。

然后是功能相对完善的青萍空气检测仪Lite、淘宝某品牌空气检测仪，在500元的价位上都能做到温度/湿度/二氧化碳/PM2.5的检测。

青萍这款接入了米家生态，能很好和其余设备联动，外形也更为简约。某品牌这款优点是自定义程度高，和店家咨询后得知其能通过USB将监控数据发送主机，并提供了一份源码^[4]作为参考。笔者考虑到使用米家APP的体验不佳，且有较多自定义需求，所以购入了后者。

后者到手后笔者发现了一些小问题：

由于需要通过USB发送检测数据，所以检测仪不能离主机太远，而摆放的位置可能会影响检测准确性
由于需要始终连接USB，各部件的发热（包括内置电池）会影响温度检测准确性
USB发送的检测数据中不包括PM10，商家解释这是因为国内的PM10传感器普遍不准确

好在这些问题笔者都能接受。有了数据源后，下面就开始正式施工。

3. 软件部分

prometheus架构图

参考Prometheus的架构图，笔者列出了自己这套监控方案的架构图：定期抓取空气检测数据并上报、Grafana做展示、告警则用Telegram触达。

flowchart LR
    A[空气检测仪]--USB-->B[PC]
    B-.push.->C[Pushgateway]
    D[Promethues]-.pull.->C
    D-->E[Alertmanager]
    E-->G[Telegram]
    F[Grafana]-->D
    style C stroke-dasharray:5
    style E stroke-dasharray:5

3.1 上报检测数据

在releases页下载最新Pushgateway后用Supervisor等工具运行，即可在9091端口上提供API服务。

将检测仪连接到PC后，PC会自动识别到该设备（win10/ubuntu20.04都无需额外安装驱动，好评）。用波特率57600连接后，笔者发现检测仪将PM2.5/CO2/温度/湿度等数据以CSV格式周期性发送至PC。

于是可以编写如下脚本，用于解析检测仪提供的数据并将其发送至Pushgateway：

import time
from datetime import datetime
import serial
import socket
import requests

PORT = '/dev/ttyUSB0'
BRATE = 57600
HOST = socket.gethostname()
alias = {0: '0.3um', 1: 'pm2.5', 2: 'hcho', 3: 'co2', 4: 'temp', 5: 'humidity'}

session = requests.Session()
device = serial.Serial(port=PORT, baudrate=BRATE, timeout=2)
while True:
    time.sleep(0.1)
    if device.in_waiting > 0:
        text = device.readline().decode('utf-8').strip()  # type: str
        lines = ['# TYPE b36_air_monitor gauge']
        for i, val in enumerate(text.split(',')):
            name = alias.get(i)
            if not name:
                continue
            lines.append(
                f'b36_air_monitor{{instance="{PORT}",alias="{name}",index="{i}"}} {val}')
        lines.append('')
        url = f'http://127.0.0.1:9091/metrics/job/{HOST}'  # Pushgateway地址
        try:
            session.post(url, data='\n'.join(lines))
        except Exception as ex:
            print(datetime.now())
            print(str(ex))

运行后可读取Pushgateway的输出进行验证（由于笔者购买的检测仪没有搭配甲醛模块，所以hcho的值始终为0）：

$ curl 127.0.0.1:9091/metrics
# TYPE b36_air_monitor gauge
b36_air_monitor{alias="0.3um",index="0",instance="/dev/ttyUSB0",job="nas"} 250
b36_air_monitor{alias="co2",index="3",instance="/dev/ttyUSB0",job="nas"} 687
b36_air_monitor{alias="hcho",index="2",instance="/dev/ttyUSB0",job="nas"} 0
b36_air_monitor{alias="humidity",index="5",instance="/dev/ttyUSB0",job="nas"} 28
b36_air_monitor{alias="pm2.5",index="1",instance="/dev/ttyUSB0",job="nas"} 1
b36_air_monitor{alias="temp",index="4",instance="/dev/ttyUSB0",job="nas"} 26

3.2 接入Prometheus

数据上报到Pushgateway后，下一步是由Prometheus进行抓取。在scrape_configs下增加配置即可：

scrape_configs:
  - job_name: "pushgateway"
    honor_labels: true
    static_configs:
      - targets: ["localhost:9091"]

重启Prometheus后可在Web页面验证：

3.3 配置告警

从笔者查阅的资料来看，PM2.5浓度小于35μg/m3、CO2浓度小于1000ppm是比较舒适的室内空气标准^[5]：

于是笔者基于这两个数值为抓取到的数据配置了告警。首先是在releases页下载最新Alertmanager并用Supervisor工具运行，配置文件如下：

route:
  group_by: ['alertname']
  receiver: 'tg'
receivers:
  - name: 'tg'
    telegram_configs:
    - api_url: "https://api.telegram.org"
      bot_token: "xx:xx"
      chat_id: xxx
      parse_mode: "HTML"
      http_config:
        proxy_url: "xxx"

然后是在Promethues的配置中加入告警规则：

1
2
3

# prometheus.yml
rule_files:
  - "prometheus_alert.yml"

# prometheus_alert.yml
groups:
- name: air_monitor
  rules:
  - alert: HighCO2
    expr: avg(b36_air_monitor{job="nas",instance="/dev/ttyUSB0",alias="co2"}) > 1000
    for: 10m
    annotations:
      summary: "室内CO2浓度超过1000"

  - alert: HighPM2.5
    expr: avg(b36_air_monitor{job="nas",instance="/dev/ttyUSB0",alias="pm2.5"}) > 35
    for: 10m
    annotations:
      summary: "室内PM2.5浓度超过35"